小尺寸衛(wèi)星通信解決方案

作者 Brad Hall Wyatt Taylor ADI航空航天與防務(wù)部門(美國北卡羅來納州格林斯博羅)

摘要：本文將概述Ka波段應(yīng)用面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)，并說明一種支持此類應(yīng)用實現(xiàn)低SWaP無線電解決方案的新架構(gòu)。

　　傳統(tǒng)Ka波段地面站衛(wèi)星通信系統(tǒng)依賴于室內(nèi)到室外配置。室外單元包含天線和塊下變頻接收機，接收機輸出L波段的模擬信號。該信號隨后被傳送到室內(nèi)單元，室內(nèi)單元包含濾波、數(shù)字化和處理系統(tǒng)。Ka波段的干擾信號通常較少，因此，室外單元的主要任務(wù)是以線性度為代價來優(yōu)化噪聲系數(shù)。室內(nèi)到室外配置很適合地面站，但難以融合到小尺寸、重量輕、低功耗(SWaP)的環(huán)境中。若干新興市場推動了對小尺寸Ka波段接入的需求。無人機(UAV)和步兵若能接入此類信道，將大大受益。對于無人機和步兵，無線電功耗直接決定電池壽命，進而決定任務(wù)時長。此外，過去專門用于空中平臺的傳統(tǒng)Ka波段信道，現(xiàn)在正被考慮用于提供更廣泛的接入。這意味著，傳統(tǒng)上僅需要下變頻單個Ka信道的空中平臺，現(xiàn)在可能需要工作在多個信道上。本文將概述Ka波段應(yīng)用面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)，并說明一種支持此類應(yīng)用實現(xiàn)低SWaP無線電解決方案的新架構(gòu)。

簡介

　　衛(wèi)星通信行業(yè)的最新趨勢顯示，信號傳輸正從X波段和Ku波段推進到Ka波段。這在很大程度上是因為該頻率范圍內(nèi)很容易實現(xiàn)帶寬更寬的收發(fā)器。與此同時，X、Ku和Ka波段中的發(fā)射機總數(shù)在不斷增加。過去，Ka波段中的發(fā)射機數(shù)量非常少，但隨著這種趨勢的發(fā)展，此范圍內(nèi)的頻譜會變得越來越擁堵。這給此類系統(tǒng)的收發(fā)器設(shè)計提出了挑戰(zhàn)，尤其是針對低SWaP市場，這些市場的尺寸和功耗要求會限制可達到的選擇率。由于選擇率壓力越來越大，人們自然會折中考慮，降低選擇率要求。某些情況下，例如頻譜環(huán)境不那么明確的移動平臺中，這種折中是有意義的。但在其他可以非常精確地預(yù)測干擾的平臺中，選擇率仍將是最高優(yōu)先目標(biāo)。

室內(nèi)和室外概述

　　在典型的永久性衛(wèi)星通信設(shè)施中，室外設(shè)備和室內(nèi)設(shè)備在功能上是分開的。室外設(shè)備由Ka波段天線、低噪聲塊(LNB)和下變頻級組成，其將Ka波段信號下變頻為L波段信號，然后發(fā)送到室內(nèi)單元。LNB和下變頻級通常合并為一個單元，其輸出端利用同軸電纜或光纖將信號發(fā)送到室內(nèi)以供進一步處理。在天線端下變頻至1 GHz到2 GHz信號可防止連接到室內(nèi)單元的電纜產(chǎn)生額外損耗。室內(nèi)單元由L波段接收機和解調(diào)器組成。此單元負(fù)責(zé)對信號做進一步濾波、數(shù)字化和處理。此外，它與地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)相連，以便將信號發(fā)送到中央處理地點。

　　在發(fā)射側(cè)，波形產(chǎn)生發(fā)生在室內(nèi)L波段設(shè)備中。信號通過同軸電纜或光纖發(fā)送到室外設(shè)備。室外設(shè)備包含如下器件：一個塊上變頻器(BUC)，用以將信號從L波段變頻至Ka波段;一個HPA，用以將信號放大到所需的發(fā)射功率水平;以及一根天線。如果接收機和發(fā)射機共用該天線，則還會有一個雙工器，用以將發(fā)射機信號和接收機信號隔離開來。

尺寸和功耗

　　由于是永久設(shè)施，固定安裝地點中的器件通常不是針對低SWaP而設(shè)計。根據(jù)其特性和濾波要求，室外LNB可能有10" × 4" × 4"那么大。它通常盡可能靠近天線饋線放置，以優(yōu)化系統(tǒng)噪聲系數(shù)。室外BUC通常有相同的尺寸，而室外HPA可能非常大，具體尺寸取決于輸出功率要求。室內(nèi)設(shè)備包含一個19英寸寬機架安裝解調(diào)器，它可以同其他機架安裝調(diào)制解調(diào)器或處理設(shè)備疊放在一起。此設(shè)備負(fù)責(zé)完成接收和發(fā)射衛(wèi)星通信信號的任務(wù)，但其SWaP效率可能不是很高。

低SWaP市場

　　隨著全球移動通信發(fā)展的深化，以及人們期望即便在最偏遠(yuǎn)地區(qū)也有通信和數(shù)據(jù)鏈路可用，市場對降低SWaP的呼聲越來越高。

小尺寸衛(wèi)星通信解決方案

　　近年來，政府和商業(yè)對無人機的使用越來越多。無人機可用在距離其基地超過數(shù)百英里的偏遠(yuǎn)地區(qū)，日益依賴衛(wèi)星通信來發(fā)送收集到的數(shù)據(jù)及接收操作員指令。此外，我們看到商業(yè)世界開發(fā)的無人機用途越來越多，其中許多既需要與衛(wèi)星通信，也需要與其他航空器通信。這導(dǎo)致使用的頻譜更高，而以前對高頻譜的使用非常少。隨著頻譜變得越來越擁擠，濾波、頻率規(guī)劃和靈活性變得越來越重要。

　　低SWaP衛(wèi)星通信持續(xù)增長的另一個市場是手持式和便攜式領(lǐng)域。除安全通信外，人們還希望發(fā)生和接收其他更多內(nèi)容，這導(dǎo)致對手持設(shè)備的需求不斷增加。人們渴求快速發(fā)送數(shù)據(jù)，包括照片、音頻文件、地圖和其他數(shù)據(jù)，以及捕獲帶寬更寬的信號。這要求提高瞬時帶寬，而外形尺寸則保持不變或比上一代更小，并且要降低功耗，以免攜帶笨重昂貴的電池包。戰(zhàn)術(shù)車輛自身的功率有限，空間較小，故而存在類似的SWaP限制。

　　另外，與波形無關(guān)的系統(tǒng)有很多潛在好處，可以進行配置以使其在任何給定波形環(huán)境中發(fā)揮作用。在當(dāng)今的一些軍用系統(tǒng)中，航空器上需要三到五個不同的收發(fā)器系統(tǒng)以幫助不同系統(tǒng)相互通信。將這些系統(tǒng)合并成一個與波形無關(guān)且具有軟件定義靈活性的系統(tǒng)，可以讓衛(wèi)星尺寸縮小5倍。

低SWaP的設(shè)計挑戰(zhàn)

　　隨著來自低SWaP市場的需求不斷增加，還有許多挑戰(zhàn)需要克服。舉例來說，單單濾波這一項要求就會使此類系統(tǒng)的尺寸增加不少。隨著頻率范圍提高到Ka波段，當(dāng)下變頻到1 GHz中頻(IF)時，越來越難以實現(xiàn)同樣的抑制性能。這就需要增加濾波器數(shù)量或增大濾波器尺寸。而且這些濾波器并不便宜，每個通常要花費200美元或更多。就此而言，較高中頻會很有利，因為這樣可以降低濾波器要求。

　　此外，在低SWaP市場中，網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點以網(wǎng)格方式通信，部分網(wǎng)絡(luò)沒有地面基礎(chǔ)設(shè)施。由于沒有一個中央位置來執(zhí)行處理，因此，各收發(fā)器必須能夠處理收到的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)衛(wèi)星通信市場的天線與處理器之間是分離的，但在低SWaP市場，人們希望數(shù)字化處理和FPGA盡可能靠近天線。這種本地處理為此類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)使用多少帶寬設(shè)置了限制，因為要處理的帶寬越寬，則所需的時鐘速率和器件功耗越高。在傳統(tǒng)固定安裝的Ka波段網(wǎng)絡(luò)中，可以使用高達1 GHz的瞬時帶寬;在低SWaP市場中，100 MHz到200 MHz更符合實際。

　　為了解決這些接收機挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)辦法是采用超外差架構(gòu)，其會將Ka波段下變頻至L波段，在下變頻到L波段之前可能還有一個中間級。這種方法需要使用大濾波器，器件數(shù)量多且功耗高，無法支持低SWaP要求。鑒于上述限制，典型超外差架構(gòu)開始在此類應(yīng)用中勢微。

高中頻架構(gòu)

　　針對此類市場，更好且更合適的架構(gòu)是高中頻架構(gòu)。這種架構(gòu)利用了直接變頻收發(fā)器相關(guān)技術(shù)的最新進展。在直接變頻收發(fā)器中，輸入RF能量直接變頻到基帶，并分割為I和Q兩個單獨的流。此類產(chǎn)品已將其頻率范圍提高到6 GHz，從而支持新的獨特使用場景。過去，這些器件的性能滿足不了要求超高性能的軍用和商用系統(tǒng)的需要。但最新進展表明，利用這種技術(shù)可以滿足高性能需求。

　　這些器件的一些最新進步包括：帶寬更高、線性度更好、集成數(shù)字信號處理功能更多、校準(zhǔn)更輕松。這些器件的典型帶寬高達200 MHz，而且可以針對不需要高帶寬的情況進行調(diào)整。在頻譜擁擠的環(huán)境中，此類器件的高線性度還有助于提高性能。這會使靈敏度略有降低，但在這種環(huán)境中，此類折中是必要的。此外，集成DSP功能可降低系統(tǒng)中FPGA的負(fù)擔(dān)，節(jié)省功耗，減少復(fù)雜性。這些器件集成的FIR濾波器可進一步幫助解決擁擠環(huán)境中常見的許多通道選擇率問題。

　　此類器件的另一個進步是集成了連續(xù)時間Σ-Δ型ADC (CTSD)?？够殳B濾波是這類ADC的固有功能，因此不再需要SAW濾波器，這有助于降低此類系統(tǒng)的延遲。

　　在高中頻架構(gòu)中，Ka波段不是直接變頻為基帶，而是先轉(zhuǎn)換到高中頻，然后饋入直接變頻接收機。由于此類轉(zhuǎn)換器的頻率范圍得到提高，該中頻可以放在5 GHz到6 GHz之間。中頻頻率從1 GHz(當(dāng)今的典型系統(tǒng))提高到5 GHz，使得鏡像頻率范圍比以前離得更遠(yuǎn)，故而前端濾波要求大大降低。前端濾波簡化是縮小此類系統(tǒng)尺寸的一個因素。

采用AD9371的系統(tǒng)示例

　　圖1顯示了此類系統(tǒng)的一個例子。該系統(tǒng)由一個17 GHz到21 GHz的接收機通道和一個27 GHz到31 GHz的獨立發(fā)射機通道組成。從接收機通道開始，輸入RF能量先由Ka波段LNA放大，再進行濾波，以讓17 GHz到21 GHz信號通過混頻器?；祛l器利用一個22 GHz到26 GHz范圍的可調(diào)諧LO將17 GHz到21 GHz頻段以100 MHz一段下變頻至5 GHz IF。前端濾波器處理27 GHz到31 GHz范圍中的鏡像抑制、LO抑制和帶外信號的一般抑制，防止來自m × n鏡像的雜散信號通過混頻器。此濾波器很可能需要定制，但由于對此濾波器的要求降低，所以其尺寸、重量和成本會比傳統(tǒng)系統(tǒng)要低。

　　一旦將RF前端轉(zhuǎn)換到5 GHz的高中頻，就會進行進一步放大和濾波，然后發(fā)送到AD9371。高中頻所需的濾波比較弱，利用現(xiàn)成的廉價小型LTCC濾波器即可輕松完成。這里的關(guān)鍵點是要確保無中頻諧波影響AD9371。

　　在發(fā)射側(cè)，AD9371可用來產(chǎn)生并輸出最高+4 dBm的5 GHz波形。IF位于5.3 GHz的頻率，不同于接收機上的5.1 GHz，這是為了降低兩個通道之間發(fā)生串?dāng)_的可能性。然后對輸出濾波以降低諧波水平，接著饋入上變頻混頻器，變頻到27 GHz至31 GHz前端。這可以利用與接收機側(cè)相同的22 GHz至26 GHz范圍的LO來完成。

　　此外，采用直接變頻收發(fā)器可為頻率規(guī)劃提供更大的靈活性。這里僅給出了一個例子，但還有許多可能的頻段可以使用相同的架構(gòu)。AD9371能夠快捷輕松地改變其IF頻率，使得系統(tǒng)可以靈活地避免有問題的雜散響應(yīng)，或者像人們對軟件定義無線電的預(yù)期那樣進行性能優(yōu)化。

結(jié)語

　　世界各地都需要借助通信和數(shù)據(jù)實現(xiàn)連接，這使得衛(wèi)星通信收發(fā)器的數(shù)量越來越多。近年來，X和Ku波段日益擁擠，故而推動低SWaP系統(tǒng)向Ka波段發(fā)展。無人機、手持式無線電或戰(zhàn)術(shù)車輛上安裝的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的激增，強烈要求通過創(chuàng)新方法來降低SWaP，同時保持高性能指標(biāo)。在高中頻架構(gòu)中，我們已展示了一個合適的平臺來在這些頻段中實現(xiàn)更高的選擇率，其利用了目前可用的集成直接變頻收發(fā)器的小尺寸和低功耗特性。AD9371用作中頻收發(fā)器可將收發(fā)器的整體尺寸縮小一個數(shù)量級，從而為解決下一代衛(wèi)星通信難題提供大量解決方案。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第7期第76頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。